Để chọn đúng phương án thiết kế phù hợp với điều kiện kinh tế Việt Nam, giảm giá thành ô tô chế tạo, nâng cao tính ổn định và an toàn cho ô tô, phần này sẽ đưa ra và trình bày những ưu nhược điểm của 3 phương án trong thiết kế chế tạo ô tô mô hình sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp năng lượng điện, công thức bánh ô tô 4x2:
- Phương án 1: Thiết kế mới toàn bộ.
- Phương án 2: Chế tạo sử dụng các linh kiện tương đương có sẵn.
- Phương án 3: Chế tạo mới một số hệ thống và chọn các linh phụ kiện có sẵn. Phương án 1 có các ưu điểm: Chi tiết, bộ phận đồng bộ, thời gian sử dụng lâu, ít sửa chữa, đảm bảo được an toàn, ổn định trong khai thác ô tô, nhiều phương án bố trí hệ thống, tiện nghi trên ô tô. Tính năng kỹ thuật của ô tô sẽ cao, sẽ có nhiều hướng phát triển. Tuy nhiên, sẽ gây ra nhiều khó khăn về tài chính, nước ta không có công nghệ hiện đại lẫn dây chuyền sản xuất tiên tiến, điều kiện kinh tế, kỹ thuật ở nước ta còn hạn chế không tận dụng được các linh kiện có sẵn trên thị trường.
Phương án 2 có những ưu điểm: Chi phí sản xuất thấp, thời gian để sản phẩm có mặt trên thị trường sẽ ngắn lại, giá thành thấp, điều kiện kỹ thuật trong nước đảm bảo, dễ thực hiện, việc tìm kiếm lắp ráp linh kiện dễ dàng, vấn đề bảo dưỡng sữa chữa cũng dễ dàng. Nhưng có nhược điểm là: Các hệ thống và linh kiện là chọn nên không đồng bộ, không tối ưu hóa được các chức năng của ô tô, không có nhiều lựa chọn bố trí kỹ thuật trên ô tô, cũng như sự tiện nghi, thời gian sử dụng thấp do các chi tiết không đồng bộ, phụ thuộc vào các nhà sản xuất nước ngoài, chưa thể hiện được tính sáng tạo về mặt thiết kế. Mặt khác việc thiết kế, sản xuất mới toàn bộ các hệ thống, khung gầm, động cơ trong nước rất khó thực hiện, khi ngành công nghiệp ô tô trong nước chưa thực sự phát triển.
Với phương án 3, tiến hành chế tạo mới một số hệ thống và chọn các linh phụ kiện có sẵn, ta sẽ thiết kế lại hệ thống cung cấp năng lượng mặt trời, khung vỏ ô tô, hệ thống dẫn động, và các hệ thống khác như lái, treo, phanh theo các quy định an toàn khi lưu thông trên đường. Chọn các linh phụ kiện có sẵn theo các thông số tính toán, kiểm nghiệm lại sau đó lắp ráp trong nước. Các hệ thống dẫn động, khung gầm, lái, treo, phanh dù mua các linh kiện đã qua sử dụng với nhưng vẫn đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật và ta tiến hành chỉnh sửa theo kích thước yêu cầu của ô tô thiết kế. Phương án này phù hợp với điều kiện kỹ thuật ở nước ta.
Kết luận: Dựa vào những phân tích ở trên, thấy rằng phương án 3 thể hiện tính
hợp lý và khả thi cao. Vậy phương án 3 được chọn để tính toán, thiết kế, ô tô mô hình.
3.3. Tính toán, thiết kế khung ô tô 3.3.1. Phương pháp chung
Trong đề tài này sử dụng phương pháp: Chọn vật liệu và dựa trên một số mẫu khung để tính kiểm tra bền làm cơ sở cho thiết kế.
Các thông số đầu vào:
- Công thức bánh xe: 4x2.
- Sử dụng điện 1 chiều từ ắc quy và pin năng lượng mặt trời. - Vận tốc ô tô khoảng: 30 km/h.
- Tải trọng: Chở được 4 người (kể cả tài xế, tương đương 260kg). - Khả năng vượt dốc: 10%.
Các thông số đầu ra: Số liệu khoa học phục vụ thiết kế kỹ thuật các hệ thống,
Các thông số tính toán:
Với vật liệu thép đã chọn, sử dụng phần mềm RDM, để tính lực và mô men, kiểm tra bền cho khung ở các trường hợp chịu tải đặc biệt (quay vòng, phanh gấp).
Dự kiến một số thông số cơ bản của ô tô mô hình:
Kích thước:
- Kích thước tổng thể L x W x H: 2712 x 1420 x 1650 (mm). - Chiều dài cơ sở: 1500 (mm).
- Chiều rộng cơ sở: 1320 (mm). - Khoảng sáng gầm: 240 (mm).
Khối lượng:
- Khối lượng toàn bộ của ô tô: 578 (kg). - Khối lượng bản thân: 318 (kg).
- Khối lượng phân bố lên cầu trước: 289 (kg). - Khối lượng phân bố lên cầu sau: 289 (kg).
3.3.2. Tính toán, thiết kế khung ô tô mô hình 3.3.2.1. Các loại khung thông dụng 3.3.2.1. Các loại khung thông dụng
1) Khung gầm hình chiếc thang
Đặc điểm của loại khung gầm này là: Hai thanh dọc là thành phần chịu lực chính, chúng có khả năng chịu tải và các lực tác động theo chiều dọc xuất hiện khi tăng tốc hoặc phanh. Mặt khác, các
thanh giằng chéo và hai bên có tác dụng chống đỡ các lực tác dụng bên đồng thời tăng độ cứng xoắn.
Khung gầm hình chiếc thang không sở hữu nhiều ưu điểm ngoài giá thành rẻ và dễ lắp ráp bằng tay. Tuy
nhiên, vì có cấu trúc 2 chiều nên độ cứng xoắn thấp hơn hẳn so với các loại khung gầm khác, đặc biệt khi chịu tác động của trọng tải đứng hoặc xóc nảy lên.
2) Khung gầm hình ống rỗng
Loại khung này sử dụng nhiều ống cắt hình tròn (hoặc hình vuông để dễ nối với các tấm pa-nô ốp thân). Các ống được đặt theo nhiều hướng khácnhau nhằm tạo ra lực cơ học chống lại các lực tác động
từ khắp mọi nơi. Chúng được hàn lại với nhau và tạo thành một cấu trúc rất phức tạp. Có một số loại ô tô sử dụng khung gầm hình ống rỗng để có thể tăng tỷ số độ cứng/trọng lượng. Tuy nhiên, cũng có loại sử dụng khung
gầm rỗng cho cấu trúc trước và sau đồng thời tách cabin ra khỏi khối thân ô tô để giảm chi phí.
Ưu điểm của khung gầm dạng này là rắn chắc từ mọi phía, nhưng lại rất phức tạp, tốn kém và mất nhiều thời gian để chế tạo. Không thể sản xuất bằng dây chuyền tự động. Bên cạnh đó, loại khung gầm này chiếm rất nhiều không gian, tăng chiều cao của ngưỡng cửa và gây khó khăn cho người sử dụng khi ra vào ô tô.
3) Khung gầm liền khối thông thường
Đặc điểm của khung gầm liền khối là cấu trúc một mảnh tạo hình cho kiểu dáng tổng thể của ô tô và nối liền với thân ô tô thành một khối. Trên thực tế, khung gầm liền khối là sự kết hợp của nhiều miếng
thép hàn với nhau. Miếng có kích thước lớn nhất là sàn ô tô, các miếng khác được nén chặt bằng máy đầm. Chúng được hàn điểm với nhau. Sau đó, một số phụ kiện khác như cửa, ca-pô, nắp thùng ô
tô, pa-nô bên và trần được ghép thêm vào.
Ngày nay, có đến 99% mẫu ô tô sản xuất trên thế giới được trang bị khung gầm thép liền khối nhờ ưu điểm là có thể sản xuất hàng loạt rẻ, khả năng bảo vệ khi xảy ra va chạm tốt và tiết kiệm không gian. Toàn bộ cấu trúc thực chỉ là một lớp vỏ bên ngoài nên không cần đến sự có mặt của ống truyền động lớn, ngưỡng cửa cao hay thanh uốn to bản. Phù hợp cho sản xuất hàng loạt. Nhược điểm của loại khung này là không thích
Hình 3.2: Khung hình ống rỗng
hợp cho các dây chuyền sản xuất qui mô nhỏ, chi phí lắp đặt công cụ như máy đập và khuôn rất cao, tỷ số độ cứng/trọng lượng của khung gầm liền khối thuộc hạng thấp nhất so với các loại tương đương khác trừ khung gầm hình chiếc thang.
4) Khung gầm liền khối ULSAB
Về cơ bản, loại khung gầm mới có cấu trúc tương tự khung gầm liền khối thông thường. Điểm khác biệt duy nhất là khung gầm liền khối ULSAB sử dụng các phụ kiện hydroform, thép đa lớp và hàn lazer. Hydroform là một công nghệ tạo mới dùng để tạo hình kim loại theo ý muốn thay cho đập. Thay vì sử dụng kim loại lá, công nghệ Hydroform tạo ra các ống kim loại mỏng, được xếp thành một khối tạo hình theo ý muốn. Sau đó, một dung dịch áp suất cao
sẽ được bơm vào ống và lấp kín bên trong khối. Do áp suất của dung dịch là đồng nhất nên độ dày của kim loại cũng giống hệt nhau. Nhờ đó, các nhà thiết kế có thể sử dụng thép có độ dày tối thiểu để giảm trọng lượng.
Thép đa lớp chính là sự kết hợp giữa
lõi nhựa dẻo nóng (polypropylen) với hai lớp thép cực mỏng kẹp xung quanh giúp giảm 50% trọng lượng so với một miếng thép đồng nhất mà không ảnh hưởng đến tính năng. Loại thép này rất cứng nên thường được sử dụng ở những khu vực cần độ cứng uốn cong lớn. Tuy nhiên, không phải chỗ nào cũng dùng được thép đa lớp bởi vì nó phải đi kèm với các khớp nối chắc chắn hoặc tán đinh thay cho hàn. Tuy nhiên, độ rắn chắc và trọng lượng chưa thích hợp cho các loại ô tô thể thao hạng sang.
5) Khung gầm hình xương sống
Khung gầm hình xương sống rất đơn giản: Một xương sống hình ống rắn chắc (thường cắt hình chữ nhật). Bên trong loại khung gầm này có một khoảng trống dành cho trục lái rất thích hợp với những loại ô tô dẫn động cầu sau, động cơ đặt trước. Toàn bộ hệ dẫn động, động cơ và hệ thống treo được lắp ghép với hai đầu của xương sống. Thân ô tô được dựng trên xương sống thường làm từ sợi thủy tinh.
Khung gầm xương sống thích hợp cho dòng ô tô thể thao loại nhỏ do có nhiều ưu điểm như: Dễ chế tạo bằng tay kéo theo chi phí thấp đối với các dây chuyền sản xuất qui mô nhỏ, cấu trúc đơn giản giúp giảm chi phí và tiết kiệm không gian hơn cả loại khung gầm liền khối. Nhưng
nó không phù hợp với dòng ô tô thể thao và không thể bảo vệ người lái trong các vụ va chạm bên hoặc so le. Do đó, nó cần đi kèm các thiết bị phụ khác trong thân ô tô làm chi phí cao khi sản xuất hàng loạt.
3.3.2.2. Đặc điểm, yêu cầu và vật liệu chế tạo khung ô tô 1) Đặc điểm, yêu cầu của khung ô tô
Khung - vỏ là một trong những bộ phận quan trọng cấu thành nên ô tô. Kết cấu hợp lý của nó sẽ quyết định độ bền, hình dáng, kích thước cũng như khả năng cơ động của ô tô. Do đó, khung và vỏ sẽ tạo thành một hệ thống chịu tải của ô tô. Ngoài ra, khung dùng để bố trí và lắp đặt các cụm, các hệ thống điều khiển và hệ thống chuyển động của ô tô.
Hiện nay, các công ty sản xuất ô tô có rất nhiều phương án cũng như dây chuyền chế tạo khung. Tuy nhiên, phương án hay được sử dụng nhiều nhất là dựa vào sự phân bố tải trọng giữa khung và vỏ (độ cứng và mối liên kết giữa chúng). Theo phương án này ta có rất nhiều sự lựa chọn kiểu khung vỏ (hệ thống chịu tải) để thiết kế cho ô tô mô hình.
- Loại khung chịu tải: Vỏ được nối với khung qua các phần tử đàn hồi. Độ
cứng của khung lớn hơn nhiều so với vỏ và khung không chịu tác dụng của ngoại lực khi vỏ bị biến dạng.
- Loại vỏ chịu tải: Loại này không có khung và vỏ chịu tất cả các ngoại lực. - Loại vỏ liền khung: Khung và vỏ được ghép với nhau bằng đinh tán mối hàn
hay bu lông. Chúng đồng thời tiếp nhận và chịu tải trọng.
Trong các loại khung vỏ trên, loại vỏ chịu lực có ưu điểm là khối lượng nhỏ và độ cứng vững cao hơn các loại còn lại. Tuy nhiên, công nghệ chế tạo loại này rất phức tạp nên giá thành rất cao và chỉ được sử dụng cho các ô tô du lịch hiện đại.
Đối với ô tô năng lượng mặt trời kết hợp năng lượng điện thì hệ thống chịu tải (khung - vỏ) phải được thiết kế phù hợp sao cho đáp ứng những yêu cầu chính là: Khối lượng nhỏ nhưng phải đảm bảo được tuổi thọ tương ứng với thời gian phục vụ của ô tô, đồng thời độ cứng vững phải đủ lớn để khi có biến dạng vẫn không ảnh hưởng đến sự làm việc và các bộ phận lắp trên ô tô. Ngoài ra, khung ô tô phải có kết cấu thích hợp sao cho thuận tiện trong việc bố trí các chi tiết, thiết bị. Cuối cùng, vỏ ô tô phải có độ bền và hình dáng thích hợp sao cho có thể bảo vệ được các cơ cấu lắp trên ô tô. Đặc biệt phải đạt yêu cầu về độ thẫm mỹ và có dạng khí động học tốt để giảm tối đa các lực cản chuyển động.
Để thỏa mãn những yêu cầu trên thì ta quyết định chọn loại khung chịu tải là loại khung để thiết kế cho ô tô mô hình. Vật liệu làm vỏ là Composite đảm bảo yêu cầu: Độ bền cao và có khối lượng nhẹ. Độ cứng cao hơn nhựa thông thường, bền trong môi trường không khí.
Qua việc phân tích kết cấu và ưu nhược điểm của các loại khung ô tô ở phần trên đã nêu trên với nhiều loại khác nhau. Trong đó, khung có kết cấu 2 dầm dọc hai bên có nhiều ưu điểm và thích hợp cho loại ô tô đang thiết kế vì đây là loại khung thông dụng, công nghệ gia công loại khung này đang phổ biến ở nước ta nên giá thành tương đối thấp so với các loại khác, giảm thời gian chế tạo ô tô mô hình.
2) Chọn vật liệu chế tạo các thanh dầm
Vật liệu dùng để chế tạo các thanh dầm thường là thép hợp kim hay thép carbon thấp hoặc trung bình như: CT2, CT3,…
Đặc điểm của các loại thép này là:
- Có giới hạn chảy và độ bền mỏi cao, cứng hơn các loại thép cacbon. - Ít nhạy cảm với tập trung ứng suất và có khả năng chống được oxi hóa cao. - Có tính dập nguội và có tính hàn tốt.
Thép hợp kim được sử dụng phổ biến trong ngành chế tạo máy, ô tô, cần trục, cầu và công trình xây dựng đòi hỏi cường độ chịu lực lớn.
3.3.3. Tính toán khối lượng khung
3.3.3.1. Giả thiết về tải trọng và chế độ tĩnh
Tải trọng tác dụng lên khung có thể chia ra:
- Tải trọng tĩnh: Do trọng lượng các cụm bắt lên khung của động cơ như: Người lái, ắc quy...
- Tải trọng động: Sinh ra khi ô tô chuyển động trên đường không bằng phẳng và tải trọng ngang khi tăng tốc hoặc quay vòng.
Các tải trọng thẳng đứng phân bố đối xứng với các dầm dọc sẽ gây uốn khung. Các tải trọng phân bố không đối xứng xuất hiện khi ô tô chuyển động trên đường mấp mô lớn gây xoắn khung. Ảnh hưởng các tải trọng ngang tác dụng lên khung nói chung nhỏ, có thể bỏ qua.
Với các đặc điểm chịu tải như vậy nên khung được tiến hành tính toán theo hai chế độ đặc trưng nhất là:
Chế độ 1: Ô tô chuyển động với tốc độ lớn trên đường và phanh gấp, khung
chịu tải trọng thẳng đứng và bị uốn.
Chế độ 2: Ô tô chuyển động trên đường và quay vòng gấp, khung chịu xoắn.
Đối với ô tô mô hình thì điều kiện làm việc tương đối nhẹ nhàng, tốc độ vừa phải. Ngoài ra, tải trọng tác dụng lên ô tô theo phương thẳng đứng ít thay đổi và địa hình làm việc là bằng phẳng ít gồ ghề.
3.3.3.2. Khối lượng khung
Sau khi có được bản vẽ kết cấu khung ô tô và chọn vật liệu chế tạo, ta tính được khối lượng của khung ô tô như sau:
Khối lượng riêng của các loại thép đã chọn như sau
Hình 3.6: Khung ô tô mô hình thiết kế
Bảng 3.1: Bảng tính toán tổng khối lượng ô tô mô hình
TT Tên gọi Quy cách Vật
liệu Chiều dài (mm) Sl Đơn Vị Khối lượng (kg)
1 Thanh ngang 30x30x2,5 Thép CT3 860 8 Thanh 5,504
2 Thanh xiên 60x30x2,5 Thép CT3 290 2 Thanh 2,95
3 Thanh dọc 1 60x30x2,5 Thép CT3 1.571 2 Thanh 15,7 4 Thanh dọc 2 60x30x2,5 Thép CT3 940 2 Thanh 9,4 5 Các phụ kiện - - 25 6 Hệ thống lái - - 1 5